虚拟维修技术在航空装备维修领域的应用

　　进入21世纪后，飞机制造技术正向全数字化的设计、制造、试验一体化的方向发展，数字化已不仅仅是局部应用，而是向具有跨地域/多企业的全数字化协同的“虚拟企业”发展。
　　
　　MBD技术作为数字化协同设计制造技术的信息载体，是数字化协同设计制造技术中的关键应用技术。它用一个集成的三维实体模型可完整地表达产品定义信息，即将制造信息和设计信息（三维尺寸标注及各种制造信息和产品结构信息）共同定义到产品的三维数字化模型中。在全数字化的基础上开展设计、制造的紧密协同。
　　
　　我国航空装备部分采用了MBD设计制造。设计、制造的改变，必然对维修保障模式、体系带来巨大改变。要研究基于MBD设计制造的航空装备的维修保障新模式、新方法和新手段，以满足新的维修保障要求。
　　
　　国外虚拟维修研究应用情况
　　
　　虚拟维修作为一门新兴的技术科学，起源于飞机等大型复杂系统研制中对维修性工作的迫切需求，一出现就引起了工业界和学术界的广泛关注。
　　
　　英国萨尔福大学开发了基于约束的沉浸式虚拟环境，集成了CAD几何内核、基于约束的建模、碰撞检测和虚拟环境管理等功能，加载CAD模型时无需预先定义装配关系，支持虚拟拆装操作，在约束运动仿真的同时提供精确的碰撞检测；洛克希德·马丁逐步淘汰支持了F-16项目的金属样机，转而实行虚拟维修；当前，以达索的DELMIA和UGS公司的Jack为主的虚拟仿真平台已广泛使用；洛克希德·马丁在JSF项目中应用DELMIA对发动机拆装、武器装填等过程进行仿真；新加坡南洋理工大学研发的维修培训系统V-REALISM基于桌面虚拟环境，采用新思想，以低成本建立。
　　
　　虚拟维修的应用及意义
　　
　　虚拟维修应用的基础是航空装备的三维设计和制造数据，其应用的深度和广度亦受制于此。鉴于当前的技术条件、应用基础和应用需求，虚拟维修的应用主要集中在如下几个方面：
　　
　　虚拟维修技术提供具有良好沉浸感、交互性和启发性的虚拟维修环境，使设计者能更早地“看到、修到和用到”未来的产品，并通过虚拟操作和维修过程仿真进行维修性分析评估，在方案阶段就能发现维修性设计缺陷，从而避免维修性工作在时间上的滞后。虚拟维修技术的出现使原先需要在物理样机上完成的维修性分析、验证与评估工作，可以与产品设计同步开展，并可随着虚拟维修样机的逐步完善而由粗到精、反复进行，增加了发现设计缺陷的机会。由此引发的数据更改只针对计算机模型，便于数据的跟踪、查询和控制，有力地支持了产品研制中的技术状态管理。
　　
　　虚拟维修技术的应用，航空装备维修资料的编写可以通过建立虚拟维修系统，来模拟装备的拆卸、装配、维修操作、检验、测试等一系列维修过程，除了可以预计维修时间外，还可以用来收集基本维修作业时间数据，为维修性模型提供基础数据。以此为基础编写的维修资料具有高度的实用性和可操作性，同时通过维修过程的三维可视化展现，维修资料不再是简单、枯燥的文字或原理图，立体的、可交互的、动态的画面展示将为航空装备的维修资料注入新的元素。
　　
　　虚拟维修训练的特点包括TQCSE（时间、质量、成本、安全和环境）5个方面：提前训练时机，缩短训练时间；想定充足、印象深刻，功能齐全、承训量大；有效降低训练费用；人员安全性和装备安全性好；突破场地和时间等环境条件限制，不损害环境。目前，武器装备的维修训练普遍采用实物、实兵、实地训练，这种维修训练模式已不能满足新时期装备训练的需要。虚拟维修训练系统利用虚拟现实技术创建装备维修训练的虚拟环境，使受训人员能够“沉浸”到计算机生成的虚拟环境中，并通过对虚拟装备进行装配和拆卸作业。
　　
　　虚拟维修技术应用于远程维修也具有特别的意义。远程维修通常采用网络视频传输技术，将维修一线的维修场景通过网络在远程的专家团队面前进行呈现，虽然远程的专家团队可以获得一线维修场景，但对于复杂的技术故障来说是远远不够的。而虚拟维修技术的使用则可以很好地解决这个问题，不仅可以从多个角度对故障部位进行立体呈现，还可以对故障零部件的工作原理及工作状况进行数字模拟，对专家给出的维修方案进行数字验证，这就提高了故障诊断的精准度以及维修方案的针对性和适用性。
　　
　　虚拟维修的关键技术
　　
　　虚拟维修技术的成功应用还需要在如下几个方面进行深入研究，并在技术上进行攻关和验证。
　　
　　MBD数据轻量化技术与数据传递技术。基于MBD技术的MBD数据集包含了大量的与产品数字定义、工艺设计、工装设计、仿真、检验等有关的数字化信息，但这些信息对于虚拟维修而言并不都是必需的，需要根据维修机构对航空装备维修的实际需求配置、定制需要的数据集，剔除不会被用到或极少被用到的那些数据，也就是常说的实现MBD数据的轻量化。
　　
　　采用MBD技术，整个数据传递过程和产品数据管理系统必须达到单一产品数据源要求，即无论是设计数据还是工艺数据都作为定义产品的基本数据，是可配置的，根据构型的不同和飞机产品历史状态的不同而变化。
　　
　　虚拟现实技术和虚拟维修技术。它利用三维图形技术、多传感交互技术以及高分辨率显示技术，生成三维逼真的虚拟环境。这是一门崭新的综合性信息技术，它融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感器技术等多个信息技术分支，从而大大推进了计算机技术的发展。
　　
　　完整虚拟现实系统由虚拟环境、以高性能计算机为核心的虚拟环境处理器、以头盔显示器为核心的视觉系统、以语音识别、声音合成与声音定位为核心的听觉系统、以方位跟踪器、数据手套和数据衣为主体的身体方位姿态跟踪设备，以及味觉、嗅觉、触觉与力觉反馈系统等单元构成。虚拟装配、虚拟维修技术是虚拟现实技术的两方面应用。
　　
　　虚拟装配是根据产品设计的形状特性、精度特性，真实地模拟产品三维装配过程，并允许用户以交互方式控制产品的三维虚拟现实装配过程，以检验产品的可装配性，同时也是一种零件模型按约束关系进行重新定位的过程。虚拟装配包括装配工艺规划、装配可视化和仿真校验，确定产品装配过程中最优的装配、拆卸和重组顺序，校验和修改装配流程，进行装配可行性、可制造性、可维护性分析。
　　
　　虚拟维修的目的是通过采用计算机仿真和虚拟现实技术在计算机上真实展现装备的维修过程，增强装备寿命周期各阶段关于维修的各种决策能力，包括维修性设计分析、维修性演示验证、维修过程核查、维修训练实施等。虚拟维修突破了装备维修在空间和时间上的限制， 可以实现逼真的装备拆装、故障维修等操作和操作引导， 提取装备的已有资料、状态数据， 检验装备性能。虚拟维修技术还可以通过仿真操作过程， 统计维修作业的时间、维修工种的配置、维修工具的选择、设备部件拆卸的顺序、维修作业所需的空间、预计维修费用。
　　
　　虚拟维修环境与MBD数据集成技术。对虚拟维修环境中有效利用协同设计环境中形成的产品数据模型和相关的工艺等数据，以及利用原有的和自定义的工艺数据，交互、引导三维模型动作深入研究，从而实现引导操作人员进行维修的目的。虚拟维修环境中使用的三维实体模型，主要是用基于MBD技术的协同设计制造中的数据集，通过接口，在虚拟维修环境中加以展示；通过人与显示模型交互，实现可视化维修引导，维修作业的时间统计、工种的配置、工具的选择、装备部件拆卸顺序的确定、作业所需的空间和费用的评估。
　　
　　基于三维模型的可视化维修系统的建立。对新型维修模式、维修体系进行研究，并在研究的基础上，在建立基于MBD技术的协同设计、制造、维护、维修系统的情况下，实现虚拟维修环境与MBD数据集成，构建以三维模型引导为核心，以维修的计划、工程、技术、过程、管控等为内容的可视化系统。
　　
　　虚拟维修是新型航空装备维修保障体系建立的一种有力的辅助手段。其应用的范围和前景非常广阔，但无论是虚拟维修技术的攻关还是虚拟维修体系的建立都是一个长期和不断完善的过程，现有的保障体系也需要与新装备的保障要求和虚拟维修技术的发展保持同步。

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